Elektryczne soczewki kontaktowe

W literaturze fachowej od wielu lat prezentowane są różne koncepcje soczewek kontaktowych przyszłości, zwanych czasem angielskim mianem smart contact lenses (inteligentne soczewki kontaktowe). Mnogość ich funkcji zadziwia. Opracowano już wiele prototypów, które np. monitorują parametry życiowe człowieka, podają leki czy dodają cyfrowe funkcje audiowizualne lub internetowe.

dr hab. Jacek Pniewski

Akademickie Centrum Kształcenia Optometrystów Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski

Nie wiem, które nich mają szansę trafić do produkcji po uzyskaniu akceptacji stosownych urzędów, jednak spore obawy budzi bardzo podstawowa kwestia, dotycząca szczególnie soczewek wyposażonych czujniki układy elektroniczne – czy są bezpieczne i w jaki sposób uzyskują energię elektryczną niezbędną do działania?

Postawione pytania bezpieczeństwo użytkowania nie biorą się znikąd. Media są pełne wiadomości wybuchających telefonach komórkowych, płonących samochodach elektrycznych, żrących substancjach, które wypełniają akumulatory itp. Warto zatem zwrócić uwagę na potencjalne niebezpieczeństwo.

Nie można zintegrować inteligentnych soczewek kontaktowych konwencjonalnymi bateriami, ponieważ te drugie są zbyt duże, nieelastyczne, wytwarzają zbyt dużo ciepła, mają ograniczoną żywotność (co może mieć znaczenie dla soczewek noszonych przedłużonych trybach) wykorzystują toksyczne elektrolity, które mogłyby uszkodzić oko. Ciągłe zasilanie ma jednak ogromne znaczenie, ponieważ jest to główny wymóg dla multipleksowanego lub stałego monitorowania parametrów fizjologicznych. Pomimo uzyskania znacznego postępu metodach zasilania innych urządzeń noszonych na ciele lub ubraniu, nie można ich bezpośrednio zastosować inteligentnych soczewkach kontaktowych. Jakie rozwiązanie jest zatem optymalne? Czy ogóle istnieje? Na szczęście zaproponowano do tej pory kilka interesujących pomysłów na dostarczanie do oka energii elektrycznej.

Zasilanie soczewek można podzielić na trzy podstawowe typy, zależnie od lokalizacji źródła: wewnętrzne (czasem zwane in vivo), zewnętrzne hybrydowe (mieszane). Do źródeł wewnętrznych zalicza się m.in. ogniwa biopaliwowe, elastyczne baterie oraz ogniwa fotowoltaiczne. Źródła zewnętrzne to głównie urządzenia oparte technikę pasywną – energia elektryczna jest indukowana cewkach zatopionych soczewce za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, podobnie jak przypadku kodów RFID czy nowoczesnych telefonów komórkowych. Rozwiązania hybrydowe wykorzystują np. superkondensatory umieszczone soczewkach, ładowane cyklicznie poprzez indukcję za pomocą zewnętrznego źródła zasilania.

Bardzo ciekawym rozwiązaniem są bioogniwa paliwowe, których działanie opiera się na reakcji chemicznej utleniania paliwa sposób ciągły, jednoczesną generacją energii elektrycznej. Koncepcja nie jest zupełnie nowa, jednak dopiero ostatnio, na bazie zainteresowania niskoemisyjnymi źródłami energii, przeżywa swój renesans. Bioogniwa dzielą się dalej na enzymatyczne, mikrobiologiczne oparte na organellach komórkowych (np. mitochondriach). bioogniwach enzymatycznych czynnikiem katalizującym utlenianie jest zadany enzym, mikrobiologicznych – drobnoustroje (np. bakterie), zaś te oparte na organellach wykorzystują wyekstrahowane elementy komórek, odpowiedzialne za gospodarkę energetyczną.

Substancje, które mogą być wykorzystywane do produkcji energii bioogniwach, są obecne filmie łzowym (glukoza, mleczan). Do rozwiązania jest jeszcze wiele problemów. Po pierwsze, uzyskiwane parametry elektryczne są na razie niewysokie. Napięcia osiągają wartość 0,2–0,6 V, zaś gęstości mocy kilka μW/cm2. Po drugie, enzymy inne substancje (ATP, NAD+, koenzym A) degradują się ciągu kilkudziesięciu godzin. Po trzecie, trudności sprawia opracowanie odpowiednich elektrod, które zbierają wygenerowane ładunki elektryczne. Rozważa się różne wersje: nanostrukturyzowane elektrody wykonane ze złota, nanorurek węglowych czy specjalnych przewodzących polimerów. Po czwarte, skład filmu łzowego różni się osobniczo zmienia czasie, co może powodować niestabilną pracę. Mimo trudności prace nad bioogniwami paliwowymi są kontynuowane, bowiem możliwość ich zastosowania nie ogranicza się do powierzchni oka.

Osobną grupę potencjalnych źródeł energii dla inteligentnych soczewek kontaktowych stanowią elastyczne baterie na wzór klasycznych ogniw elektrochemicznych. Ogólnie rzecz biorąc, elastyczne baterie składają się elektrod: anody katody, elektrolitu (stanie stałym lub ciekłym), separatora (stosowanego przypadku ciekłych elektrolitów) oraz elastycznego, plastikowego opakowania. Podstawowe wymogi biokompatybilności to elastyczne nietoksyczne materiały elektrod, stosowanie stałych elektrolitów (minimalizacja ryzyka wycieku) oraz możliwość takiego ukształtowania, które będzie zgodne profilem rogówki. pewnością daleka jest jeszcze droga do osiągnięcia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa wydajności, głównie uwagi na skomplikowane środowisko, którym znajdują się soczewki kontaktowe. Istnieje ryzyko przenikania (dyfuzji) związków przez granice materiałów, oraz degradacji elektrod przy zmianach pH filmu łzowego. Niemniej jednak prototypach udało się osiągnąć pojemność na poziomie kilkudziesięciu μWh (mikrowatogodzin), co powinno pozwolić na zasilanie prostych układów elektronicznych. Wydaje się, że ten typ baterii będzie stosowany aplikacjach, gdzie poziom bezpieczeństwa nie musi być tak wysoki, jak przypadku oka.

Rozważa się także umieszczenie ogniw fotowoltaicznych, które oferują przede wszystkim długą żywotność stabilność. uwagi na ryzyko zatrucia metalami ziem rzadkich obecnie mogą to być praktycznie tylko klasyczne ogniwa krzemowe, których wydajność produkcji energii jest relatywnie niska, na poziomie kilku procent. Przykładowo, warunkach domowych ogniwo powierzchni 0,5 mm2 jest stanie generować prąd mocy kilku mikrowatów. Dodatkowo wadą ogniw fotowoltaicznych, wynikającą zasady działania, jest to, że warunkach słabego oświetlenia, czasie snu, czy nocy nie produkują energii, co wyklucza je wielu zastosowań.

Pewnym rozwiązaniem wielu opisanych wyżej problemów jest użycie zewnętrznego źródła energii, które zasilałoby układy elektroniczne, znajdujące się na soczewce kontaktowej. Połączenie może być bezprzewodowe lub przewodowe. tym pierwszym strukturze soczewki należy umieścić antenę, która będzie dostrojona (zakresie częstotliwości) do źródła energii. Ogólną zasadą jest, że im wyższa częstotliwość, tym mniejsza powinna być antena (mała indukcyjność pojemność obwodu). Wydawałoby się, że mała antena jest korzystna, jednak praktyce takie anteny wykazują także wysokie tłumienie, co skutkuje wysoką temperaturą pracy, groźną dla oka. Dodatkowo większość rozwiązań bazuje na transmisji energii formie fal elektromagnetycznych zakresie mikrofalowym (zbliżonym do tego, którym pracują sieci komórkowe, LTE, 4/5/6G itp.), co może rodzić pewne obawy wśród użytkowników.

Niemniej jednak zaprezentowano już tego typu rozwiązania. Źródło emitujące energię komunikujące się układem elektronicznym soczewce może znajdować się np. oprawie okularów lub innym elemencie odzieży. Funkcjonująca na rynku soczewka do pomiaru ciśnienia wewnątrzgałkowego Sensimed TriggerFish korzysta anteny zewnętrznej przyklejonej wokół oka.

Bardzo skuteczne jest za to podłączenie zasilania zwykłym (choć delikatnym) przewodem elektrycznym. Mimo iż nie jest to rozwiązanie komfortowe możliwe do codziennego zastosowania, wydaje się, że kontrolowanych warunkach klinicznych może mieć sens, zwłaszcza uwagi na dużą niezawodność. dalszej perspektywie pewnością zostanie wyparte przez rozwiązania bezprzewodowe.

Obiecującą ścieżką rozwoju są także rozwiązania hybrydowe, których układ elektroniczny soczewce jest wyposażony niewielkie własne źródło zasilania, które jest uzupełniane cyklicznie przez źródło zewnętrzne. Kandydatów na takie „podręczne” źródło energii upatruje się m.in. wśród superkondensatorów. Jest to typ urządzeń ogromnej pojemności porównaniu typowymi kondensatorami stosowanymi urządzeniach elektronicznych. Nie oferują tak dużej gęstości energii, jak np. nowoczesne baterie litowo-jonowe, jednak można je bardzo szybko naładować rozładować,
czyli uzyskać dużą moc chwilową. Dodatkowo, ich czas życia jest niemal nieograniczony, wydajność praktycznie nie spada czasem. Jeden prototypów superkondensatorów przeznaczonych do zasilania inteligentnych soczewek kontaktowych posiada elektrody grafenu, zaś stały elektrolit jest oparty kwas poliwinylowy. Zamiast superkondensatorów można także zastosować elastyczne baterie, które daje się ponownie ładować, co wydłuża czas eksploatacji urządzeń.

Urządzenia hybrydowe ułatwiają również rozwiązanie jednego istotnych problemów, jakie napotykają konstruktorzy –
bioogniwa paliwowe część elastycznych baterii dają napięcia rzędu ułamka wolta, podczas gdy nawet niskonapięciowe układy elektroniczne wymagają zasilania na poziomie co najmniej 1 V. Wspomaganie zasilania zewnętrznym źródłem umożliwia podniesienie napięcia, także zwiększenie dostępnej mocy razie potrzeby.

Jak widać, technologia inteligentnych soczewek kontaktowych napotkała na swej drodze rozwoju bardzo prozaiczną przeszkodę postaci braku dobrego zasilania. Na jakiś czas musimy odłożyć marzenia powszechnej integracji kamer, wyświetlaczy czy czujników, dopóki konstruktorzy nie znajdą rozwiązań, które przede wszystkim będą bezpieczne dla oka organizmu.

Warto też przez chwilę zastanowić się nad pewną refleksją: skoro smart contact lenses stają się tak technologicznie zaawansowane, przynajmniej koncepcji, to do ich doboru, obsługi, serwisu itp. nie będą prawdopodobnie wystarczać umiejętności dzisiejszych kontaktologów czy optometrystów. Potrzebne będą zatem nowe umiejętności techniczne cyfrowe oraz wiedza, czyli zapewne zupełnie nowy zawód (może „kontaktolog cyfrowy”?). tym momencie najbliżej techniki są optycy okularowi, ale czy to właśnie oni zajmą się „namacalną” stroną inteligentnych soczewek kontaktowych? Nie wiadomo…

Polecamy

Cover for Magazyn Optyk Polski - branżowy dwumiesięcznik dla profesjonalistów
2,397
Magazyn Optyk Polski - branżowy dwumiesięcznik dla profesjonalistów

Magazyn Optyk Polski - branżowy dwumiesięcznik dla profesjonalistów

Magazyn branżowy dla optyków, optometrystów. Trendy, soczewki, sprzęt, teksty ekspertów, wydarzenia.